(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
切刃支持部品（２３）と、
当該切刃支持部品（２３）に直に固定された少なくとも１つの切刃部品（６１）であって、焼結炭化物からなり且つ各切刃部品（６１）が少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなり、該個々の切刃部片（６２，６３，６４，６５）が少なくとも１つの切刃インサートポケット（２５，５１）を含んでいる、モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項２】
請求項１に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記少なくとも１つの切刃支持部品（２３）が、焼結硬質粒子、焼結炭化物、セラミック、合金、及びプラスチック、からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項３】
請求項１に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記少なくとも２つの個々の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）が焼結炭化物によって本質的に構成されている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項４】
請求項３に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記切刃支持部品（２３）が焼結炭化物によって本質的に構成されている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項５】
請求項１に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記切刃支持部品（２３）が少なくとも１つの溝穴（４１）を有しており、少なくとも２つの個々の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる各切刃部品（６１）が１つの切刃用の溝穴（４１）内に固定されている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項６】
請求項１に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記切刃支持部品（２３）が第一の焼結炭化物を含んでおり、前記少なくとも２つの個々の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）が第二の焼結炭化物を含んでおり、前記第一の焼結炭化物と第二の焼結炭化物とは少なくとも１つの特性が異なっている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項７】
請求項６に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物と第二の焼結炭化物とが、個々に、バインダ内に少なくとも１つの遷移金属炭化物粒子を含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項８】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物と第二の焼結炭化物とにおいて、前記少なくとも１つの遷移金属炭化物が、個々に、タンタル、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオビウム、及びタングステンから選択されたものであり、前記バインダが、個々に、コバルト、ニッケル、鉄、コバルト合金、ニッケル合金、及び鉄合金から選択された少なくとも１つの金属を含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項９】
請求項８に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記バインダが、タングステン、チタン、タンタル、ニオビウム、クロム、モリブデン、ホウ素、炭素、ケイ素、ルテニウム、レニウム、マンガン、アルミニウム、及び銅、から選択された少なくとも１つの合金形成材を更に含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１０】
請求項８に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物の炭化物と第二の焼結炭化物の炭化物とがタングステン炭化物を含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１１】
請求項１０に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物のバインダと前記第二の焼結炭化物のバインダとがコバルトを含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１２】
請求項６に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記少なくとも１つの特性が、弾性係数、硬度、耐摩耗性、破壊靱性、引っ張り強度、耐腐食性、熱膨張率、及び熱伝導率、からなる群から選択されたものである、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１３】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物のバインダと前記第二の焼結炭化物のバインダとは化学的組成が異なっている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１４】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物のバインダの重量パーセントが前記第二の焼結炭化物のバインダの重量パーセントと異なっている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１５】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物の前記遷移金属炭化物と第二の焼結炭化物の前記遷移金属炭化物とは化学的組成と平均粒度とのうちの少なくとも１つが異なっている、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１６】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物と前記第二の焼結炭化物とが、各々、２〜４０重量パーセントのバインダと、６０〜９８重量パーセントの遷移金属炭化物とを含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１７】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物と前記第二の焼結炭化物とのうちの少なくとも一方が、０．３〜１０μｍの平均粒度の炭化タングステンを含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１８】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物と前記第二の焼結炭化物とのうちの一方が０．５〜１０μｍの平均粒度の炭化タングステン粒子を含んでおり、前記第一の焼結炭化物と前記第二の焼結炭化物とのうちの他方が０．３〜１．５μｍの平均粒度の炭化タングステン粒子を含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項１９】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物と前記第二の焼結炭化物とのうちの一方が、当該第一の焼結炭化物と前記第二の焼結炭化物とのうちの他方よりも１〜１０重量パーセントだけ多くのバインダを含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項２０】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第二の焼結炭化物の硬度が９０〜９４ＨＲＡであり、前記第一の焼結炭化物の硬度が８５〜９０ＨＲＡである、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項２１】
請求項７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）であり、
前記第一の焼結炭化物が６〜１５重量パーセントのコバルト合金を含んでおり、前記第二の焼結炭化物が１０〜１５重量パーセントのコバルト合金を含んでいる、モジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）。
【請求項２２】
請求項１に記載されたモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を含んでいるモジュール型の固定切刃ボーリングビット。
【請求項２３】
モジュール型固定切刃ボーリングビットであり、
切刃支持部品（２３）と、
当該切刃支持部品（２３）に直に固定された少なくとも１つの切刃部品（６１）であって、焼結炭化物からなり且つ前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々が少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなり、該別個の切刃部片が少なくとも１つのインサートポケット（２５，５１）を含んでいる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）と、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）に取り付けられている少なくとも１つの切刃インサートと、
を含んでいるモジュール型固定切刃ボーリングビット。
【請求項２４】
請求項２３に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビットであり、
前記少なくとも１つの切刃インサートが、焼結炭化物インサートと多結晶ダイヤモンドコンパクトとからなる群から選択されたものである、モジュール型固定切刃ボーリングビット。
【請求項２５】
請求項２３に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビットであり、
前記少なくとも１つの切刃インサートが前記少なくとも１つのインサートポケット（２５，５１）内に取り付けられている、モジュール型固定切刃ボーリングビット。
【請求項２６】
請求項２５に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビットであり、
前記少なくとも１つの切刃インサートが、焼結炭化物インサートと多結晶ダイヤモンドコンパクトとからなる群から選択されたものである、モジュール型固定切刃ボーリングビット。
【請求項２７】
モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
切刃支持部品（２３）を準備することと、
焼結硬質粒子を含み且つ各々が少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなり、該個々の切刃部片が少なくとも１つのインサートポケット（２５，５１）を含んでいる、少なくとも１つの切刃部品（６１）を準備することと、
少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）を備えている前記少なくとも１つの切刃部品（６１）を、前記切刃支持部品（２３）に直に固定することと、を含む方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）を直に固定するステップが、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）の溝穴（４１）内に挿入することと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に溶接することと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に蝋付けすることと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に半田付けすることと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に圧入することと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に焼嵌めすることと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に接着することと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）にねじが切られた機械的固定部材によって取り付けることと、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の各々を前記切刃支持部品（２３）に機械的に固定することと、
のうちの少なくとも１つからなる、方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記焼結硬質粒子が焼結炭化物である、方法。
【請求項３０】
請求項２７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記切刃支持部品（２３）が焼結硬質粒子及び鋼合金のうちの少なくとも１つを含んでいる、方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記切刃支持部品（２３）が焼結炭化物を含んでいる、方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記切刃支持部品（２３）が焼結炭化物から本質的に構成されている、方法。
【請求項３３】
請求項２７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記切刃支持部品（２３）と  各々が少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる少なくとも１つの切刃部品（６１）とが、各々、個々に、バインダ内に少なくとも１つの炭化物の粒子を含んでいる焼結炭化物を含んでおり、
前記少なくとも１つの炭化物は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオビウム、及びタングステン、から選択された遷移金属の炭化物であり、
前記バインダは、コバルト、ニッケル、鉄、コバルト合金、ニッケル合金、及び鉄合金、から選択された少なくとも１つの金属を含んでいる、方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記切刃支持部品（２３）の焼結炭化物のバインダ及び前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）の焼結炭化物のバインダが、各々、個々に、タングステン、チタン、タンタル、ニオビウム、クロム、モリブデン、ホウ素、炭素、ケイ素、ルテニウム、レニウム、マンガン、アルミニウム、銅、ジルコニウム、及びハフニウム、から選択された合金形成材を更に含んでいる、方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記炭化物がタングステンカーバイドであり、前記バインダがコバルトを含んでいる、方法。
【請求項３６】
請求項３３に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）を準備するステップが、粉末金属を圧縮して圧粉体にすること、該圧粉体を機械加工すること、及び該機械加工された圧粉体を焼結すること、を含んでいる、方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記切刃支持部品（２３）を準備するステップが、粉末金属を圧縮して圧粉体にすること、該圧粉体を機械加工すること、及び該機械加工された圧粉体を焼結すること、を含んでいる、方法。
【請求項３８】
請求項３６又は３７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記粉末金属が金属炭化物粉末及びバインダ粉末を含んでいる、方法。
【請求項３９】
請求項２７に記載のモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を製造する方法であり、
前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）が前記少なくとも２つの個々の部片を前記切刃支持部品に取り付けることを含んでいる、方法。
【請求項４０】
モジュール型固定切刃ボーリングビットを製造する方法であり、
請求項１に記載されているモジュール型固定切刃ボーリングビット本体（２０）を準備することと、少なくとも１つの切刃インサートを前記少なくとも２つの別個の切刃部片（６２，６３，６４，６５）からなる前記少なくとも１つの切刃部品（６１）に固定することと、を含んでいる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００２］本発明は、部分的には、ボーリングビットの改良及びボーリングビットを製造する方法に関する。本発明は更に、モジュール型のボーリングビット本体及び当該ボーリングビット本体を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００３］ボーリングビットは、固定の又は回転可能な切断要素を備えている。固定の切断要素を備えたボーリングビットは、典型的には、鋼を機械加工するか又は鋳造炭化物（ＷＣ＋Ｗ２Ｃ）、巨視的結晶質の又は標準的なタングステンカーバイド（ＷＣ）及び／又は銅合金バインダを備えた焼結炭化物のような硬質粒子の床を溶浸させることによって製造されるビット本体を含んでいる。従来の固定切断要素からなるボーリングビットは、切削を最適化するように設計された形態でビット本体上に配置されたインサートポケット内に幾つかの切刃インサートを備えた一部品からなるビット本体を備えている。ボーリングビットの寿命を最長にするために、インサートを正確な位置に維持して掘削効率を最適化し、振動を避け、ビット本体内の応力を最少化することが重要である。切刃インサートは、ダイヤモンドのような耐摩耗性が高い材料を基材とすることが多い。例えば、切刃インサートは、焼結炭化物基材上に配置された合成ダイヤモンドの層からなり、このようなインサートは、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）と称されることが多い。ビット本体は鋼製シャンクに固定される。該鋼製シャンクは典型的にはねじ込みピン結合を含み、当該ねじ込みピン結合によって、ビットが掘削針の末端においてダウンホールモーターの駆動軸又はドリルカラーに固定される。更に、掘削液又は掘削泥は、中空の掘削針内から圧送され且つビット本体内に形成されたノズルから圧出せしめられる。掘削液又は掘削泥は、ビットが回転するときに該ビットを冷却し且つ潤滑させ、ビットによって掘削された材料を地表へと運ぶことも行う。
【０００３】
［０００４］従来のボーリングビット本体は、典型的には、以下の方法のうちの一つ、すなわち、例えば鋼製のブランクを機械加工するか又は型内に配置された硬質炭化物粒子の床を銅合金バインダによって溶浸させることによって製造されて来た。鋼本体からなるビットは、典型的には、ストックから、輪郭的特徴及び内部の特徴を備えた所望の形状に加工される。ビット本体を加工した後に、表面硬化させて、ビット本体の表面及びビット本体の表面の他の重要な領域に耐摩耗性材料が適用される。
【０００４】
［０００５］硬質粒子及びバインダからビット本体を製造するための従来の方法においては、型は、ビット本体の外面の特徴を規定するためにフライス加工され又は機械加工される。ビット本体の輪郭的特徴を形成し又は精密加工するために、付加的な手送りフライス加工又は粘土細工もまた必要とされるかも知れない。
【０００５】
［０００６］ひとたび成形が完了すると、予備成形された鋼のビットブランクが型キャビティ内に配置されて、製造されたときにビット本体マトリックスを内部から強化するようにしても良い。内部の流体経路、切断要素のためのポケット、突条部、ランド、ノズルの変位、切り屑用の穴又はビット本体のその他の内部特性若しくは輪郭的特徴を規定するもののような他の遷移金属又は耐火金属を基材とするインサートを、型のキャビティ内に挿入することもできる。使用されるインサートは如何なるものも、最終的なビット内の切断要素、ノズル、切り屑用の穴等の適切な位置決めを確保するために、正確な位置に配置しなければならない。
【０００６】
［０００７］次いで、所望の硬質粒子が型内に配置され且つ所望の密度となるように詰め込まれる。次いで、硬質粒子を溶融バインダによって溶浸させる。溶融バインダは、凝固してバインダの連続相内に硬質粒子の不連続な相を含む一体のビット本体が形成される。
【０００７】
［０００８］ビット本体は、次いで、他のボーリングビット構成要素と共に組み立てられる。例えば、ねじ山が切られているシャンクが溶接されるか又はそうでない場合にはビット本体に固定されても良く、切断要素又はインサート（典型的にはダイヤモンド又は合成多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ））が、例えば、蝋付け、接着又は機械的取り付けによって切刃インサートポケット内に固定される。別の方法として、熱的に安定したＰＤＣ（“ＴＳＰ”）が採用されている場合には、炉による加熱及び溶浸中に切刃インサートをビット本体の表面に接合させても良い。
【０００８】
［０００９］ボーリングビットのビット本体及びその他の要素は、これらが粗雑なダウンホール（坑井）環境内で作動するときに多くの形態の摩耗を受ける。最も一般的な形態の摩耗は、摩耗岩層との接触によって生じる摩損である。更に、削岩によって汲み出される掘削泥は、ビットを腐食させるか又は摩耗させる。
【０００９】
［００１０］ボーリングビットの寿命は、ＰＤＣ又は焼結炭化物インサートの摩耗特性ばかりでなくビット本体（固定された切削ビットの場合）又は円錐ホルダ（ローラーコーンビットの場合）の摩耗特性の関数である。ボーリングビットの寿命を長くする一つの方法は、強度、靱性及び耐摩耗性／耐腐食性の改良された組み合わせを有する材料によって作られたビット本体を採用することである。
【００１０】
［００１１］最近においては、固定切刃ビット本体は、標準的な粉末冶金方法（未焼結の又は予め焼結された圧粉体を成形するか又は加工した後又は高温焼結に続く粉末硬化）を使用する焼結炭化物によって製造することができることがわかっている。このような一体の一部品からなる焼結炭化物を基材とするビット本体が米国特許第２００５／０２４７４９１号公報に記載されている。
【００１１】
［００１２］一般的には、焼結炭化物を基材とするビット本体は、（鋼又は溶浸された炭化物を加工している）従来技術によるビット本体より優れた利点を提供する。なぜならば、焼結炭化物は、鋼又は銅を基材とするバインダによって溶浸された炭化物と比較して、強度、靱性並びに耐摩耗性及び耐浸蝕性が著しく優れた組み合わせを提供するからである。図１は、ＰＤＣを基材とするボーリングビットを作るために採用することができる典型的な一体の一部品焼結炭化物からなるビット本体１０を示している。図から見ることができるように、ビット本体１０は、基本的には、泥が圧送され得る穴１２を有している中央部分１１と、ＰＤＣカッターが取り付けられるポケット１４を備えたアーム又は切刃１３とからなる。図１のビット本体１０は粉末冶金技術によって調製した。典型的には、このようなビット本体を調製するためには、型に、バインダ金属と炭化物との両方を含んでいる粉末金属が充填される。この型は、次いで、粉末金属を稠密化し且つ圧粉体を形成するために圧縮される。焼結炭化物の強度及び硬度により、ビット本体は、通常は、圧粉体形態に加工される。圧粉体は、最終的なビット本体内で望ましい特徴を有するように加工される。
【００１２】
［００１３］固定切刃ビットの全寿命及び性能は、切削部材の寿命及び性能のみならず、ビット本体の寿命及び性能にも依存する。従って、焼結炭化物製のビット本体を基材とするボーリングビットは、鋼又は溶浸されたビット本体を使用して作られたビットと比較して著しく長い寿命及び高い性能を呈することが予想できる。しかしながら、一体の焼結炭化物からなるビット本体を含むボーリングビットは、以下のような制限を受ける。
［００１４］１．個々のＰＤＣカッターの位置を正しく且つ正確に制御することが難しいことも多い。インサートポケットを加工した後に、圧粉体は焼結されてビット本体が更に稠密化される。焼結炭化物からなるビット本体は、高温焼結プロセス中に何らかのスランピング及び歪みを受け、その結果、インサートポケットの位置の歪みをもたらす。ビット本体の設計された位置に正しく配置されていないインサートポケットは、切刃及び／又は刃の早期破壊、真円でない穴開け、過剰な振動、効率の悪い穴開け並びにその他の問題により、十分に機能しないかも知れない。
［００１５］２．一体の一部品焼結炭化物からなるビット本体の形状は極めて複雑である（例えば、図１参照）ので、焼結炭化物からなるビット本体は、精巧な加工工具を使用して圧粉体から加工され且つ作り上げられる。例えば、５軸のコンピュータ制御フライス盤がある。しかしながら、最も高度な加工機が使用されている場合でさえ、製造することができる形状及び設計の範囲は、加工プロセスの物理的制限によって制限される。例えば、切刃の数及びＰＤＣカッター同士の相対的な位置は制限される。なぜならば、ビット本体の種々の特徴がシェーピング過程中に切削工具の経路を妨害し得るからである。
［００１６］３．多くの極めて高価な焼結炭化物材料が形削り中又は機械加工プロセス中に消耗されるので、一部品焼結炭化物からなるビット本体の費用は比較的高い。
［００１７］４．種々の位置に種々の特性を有している一部品焼結炭化物からなるビット本体を製造することは極めて費用がかかる。従って、一体の一部品焼結炭化物からなるビット本体の特性は、典型的には、均一、すなわち、ビット本体内のどこの位置においても類似の特性を有している。設計及び寿命の観点から、種々の位置において種々の特性を有することは、多くの場合に有利である。
［００１８］５．一部品ビット本体のビット本体全体は、ビット本体の一部分が作動中に破損した場合（例えば、アーム又は切刃が破損した場合）には廃棄しなければならない。
【００１３】
［００１９］従って、上記したような制限を受けない、高い耐摩耗性、強度及び靱性を有するボーリングビットのための改良されたビット本体の必要性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
［００２０］本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照することによって更に良く理解できる。
【図１】［００２１］図１は、ボーリングビットのための従来の一体の一部品焼結炭化物ビット本体の写真である。
【図２】図２は、焼結炭化物の切刃支持部品に固定された６個の焼結炭化物切刃部品であって、各々が９個の切刃インサートポケットを備えている焼結炭化物切刃部品を備えている組み立てられたモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の一実施形態の写真である。
【図３】［００２３］図３は、図２の組み立てられたモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の頂面の写真である。
【図４】［００２４］図４は、図２の組み立てられたモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の実施形態の切刃支持部品の写真であり、切刃用の溝穴及び切刃支持部品の泥用の穴を示している。
【図５】［００２５］図５は、図２の組み立てられたモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の実施形態の個々の切刃部品の写真であり、切刃挿入切刃ポケットを示している。
【図６】［００２６］図６は、図４の切刃支持部品内の単一の切刃用の溝穴内に固定することができる多数の切刃部品を備えている切刃部品の別の実施形態の写真である。
【発明の開示】
【００１５】
［００２７］本発明のある種の非限定的な実施形態は、切刃支持部品と当該切刃支持部品に固定された少なくとも１つの切刃部品とを備えているモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体に関する。当該モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体は更に、少なくとも１つの切刃部品内に少なくとも１つのインサートポケットを備えている。該切刃支持部品、前記少なくとも１つの切刃部品、及び該モジュール型ビット本体の他の部品又は部分は、焼結硬質粒子、焼結炭化物、セラミック、合金、及びプラスチックから選択された少なくとも１つの材料を個々に含んでいる。
【００１６】
［００２８］更に別の非限定的な実施形態は、少なくとも１つの切刃部品をモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の切刃支持部品に固定することを含んでいるモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体を製造する方法に関する。該モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体を製造する方法は、切刃支持部品に設けられている溝穴に切刃部品を挿入すること、当該切刃部品を切刃支持部品に溶接、蝋付け又は半田付けすること、切刃部品を切刃支持部品に圧入すること、前記切刃部品を切刃支持部品に焼嵌めすること、切刃部品を切刃支持部品に接着すること、ねじ山が切られた機械的な締結部材によって前記切刃部品を切刃支持部品に取り付けること又は前記切刃部品を切刃支持部品に機械的に固定することを含む何らかの機械的な固定技術を含んでいる。
【好ましい実施形態の説明】
【００１７】
［００２９］本発明の一つの特徴は、モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体に関する。従来のボーリングビットとしては、インサートポケット内に鑞付けされた切刃インサートを備えた一部品からなるビット本体がある。ボーリングビットのための従来のビット本体は、ビット本体の強度を最大化するために一部品設計によって形成されている。石油掘削及び天然ガス井に伴う高い応力に耐えるためには、ビット本体に十分な強度が必要とされる。本発明によるモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の実施形態は、切刃支持部品と当該切刃支持部品に固定された少なくとも１つの切刃部品とを備えている。当該１以上の切刃部品は更に、ＰＤＣ切刃インサート又は焼結炭化物切刃インサートのような切刃インサートを保持するためのポケットを備えている。当該モジュール型のボーリングビット本体は、固定切刃ボーリングビットとなるように物理的に設計することができる如何なる数の切刃部品を含んでいても良い。特別なビット又はビット本体内の切刃部品の最大の数は、ボーリングビット本体の大きさ、個々の切刃部品の大きさ及び幅、並びにボーリングビットの用途のみならず当業者に公知のその他のファクタに依存するであろう。モジュール型のボーリングビット本体の実施形態は、１〜１２個の切刃部品を備えていても良く、例えばある種の用途に対しては、４〜８個の切刃部品が望ましい。
【００１８】
［００３０］モジュール型のボーリングビット本体の実施形態は、一体の一部品構造よりもむしろモジュール型の又は多部品からなる設計に基づいている。モジュール型の設計を使用することによって、一体の一部品ビット本体における制限事項の幾つかが解消される。
【００１９】
［００３１］本発明のビット本体は、ボーリングビットに適しているビット本体を形成するために組み立てられ且つ相互に固定される２以上の別個の構成部品を備えている。例えば、個々の構成部品は、切刃支持部品、切刃部品、ノズル、ゲージリング、取り付け部分、シャンク、のみならずボーリングビット本体のその他の構成部品を備えていても良い。
【００２０】
［００３２］切刃支持部品の実施形態としては、例えば、穴及び／又はゲージリングがある。当該穴は、水、泥、潤滑液又はその他の液体の流れを許容するために使用することができる。液体又はスラリーは、ボーリングビットを冷却し且つ泥、岩石及び破片をドリル穴から除去する補助となる。
【００２１】
［００３３］切刃部品の実施形態は、例えば、ＰＤＣカッターのための切刃ポケット及び／又はインサートポケットを備えている切刃部品の個々の部片を備えている。
【００２２】
［００３４］固定切刃ボーリングビットのモジュール型のボーリングビット本体２０の一つの実施形態が図２に示されている。モジュール型のボーリングビット本体２０は、切刃支持部品２３のシャンク２２上に取り付け手段２１を備えている。切刃部品２４が切刃支持部品２３に取り付けられている。尚、図２のモジュール型のボーリングビット本体の実施形態は切刃支持部品に形成されている取り付け部分２１とシャンク２２とを備えているけれども、取り付け部分２１及びシャンク２２はまた、モジュール型ボーリングビット本体２０の部品を形成するために相互に取り付けられる別個の部品として形成してしても良い。更に、モジュール型のボーリングビット本体２０の実施形態は、同一の切刃部品２４を備えている。モジュール型のボーリングビット本体の付加的な実施形態は、同一でない切刃部品によって構成されても良い。例えば、切刃部品は、限定的ではないが、焼結硬質粒子、合金（限定的ではないが、鉄系合金、ニッケル系合金、銅、アルミニウム及び／又はチタン系の合金を含む）、セラミック、プラスチック又はこれらの組み合わせを含む構成材料を個々に含んでいる。切刃部品はまた、切刃インサートポケット及び泥用の穴又はその他の構造を所望に応じて種々の位置に含む種々の設計を有していても良い。更に、当該モジュール型のボーリングビット本体は、ビット本体の回転軸線に平行である切刃部品を備えている。他の実施形態は、回転軸線から例えば５°〜４５°の角度で打ち込まれた切刃部品を備えている。
【００２３】
［００３５］更に、取り付け部分２１、シャンク２２、切刃支持部品２３、及び切刃部品２４は、各々別個に、相互に固定することができる何らかの所望の構成材料によって作ることができる。当該モジュール型の固定切刃ボーリングビット本体の一実施形態の個々の部品は、限定的ではないが、例えば、蝋付け、螺結、ピン、キー溝、焼嵌め、接着、拡散接合、干渉嵌合、又はその他のあらゆる機械的結合のようなあらゆる方法によって相互に結合することができる。従って、種々の領域又は部品を有するビット本体２０を形成することができ、各領域又は部品は、例えば、異なる濃度、組成、及び硬質粒子又はバインダの結晶の大きさによって構成することができる。このことにより、ビット本体の特定の領域及び部品の特性を特定の用途にとって望ましいものに調製することができる。従って、ビット本体は、各部品内の又は一つの部品内の各領域の特性又は組成が物体の種々の領域間で突然に変化したり又は比較的緩やかに変化するように設計することができる。図２の例示的なモジュール型のビット本体２０は、６個の切刃部品２４と切刃支持部品２３とによって規定された２つの別個の領域を備えている。一つの実施形態においては、切刃支持部品２３は、タングステン及び／又は炭化タングステンの不連続な硬質相を含んでいても良く、切刃部品２４は、精密鋳造炭化物、炭化タングステン、及び／又は焼結炭化物粒子の不連続な硬質相を含んでいても良い。切刃部品２４はまた、切刃部品２４の端縁に沿って切刃ポケット２５を備えており、該切刃ポケット２５内に切刃インサートを配置することができる。図２の実施形態には９個の切刃ポケット２５が設けられている。切刃ポケット２５は、例えば、未焼結の又は褐色のビレットを加工することによって型によってビット本体内に直接組み込んでも良く、又は、蝋付け又はその他の取り付け方法によって部品として切刃部品に固定しても良い。図３に見ることができるように、モジュール型のビット本体２４の実施形態はまた、内部流体路３１、突条部、ランド部、ノズル、切り屑用穴３２、及びボーリングビット本体のその他のあらゆる一般的な構造的特徴をも備えていても良い。任意であるが、これらの構造的特徴は、モジュール型のビット本体上の適切な位置に固定される付加的な部品によって画成しても良い。
【００２４】
［００３６］図４は、図２及び３の切刃支持部品２３の実施形態の写真である。この実施形態における切刃支持部品２３は、焼結炭化物によって作られており且つ内部流体路３１と切刃用の溝穴４１とを備えている。図５は、図４の切刃支持部品２３の切刃用の溝穴４１内に挿入することができる切刃部品２４の実施形態の写真である。切刃部品２４は、９個の切刃インサートポケット５１を備えている。図６に示されているように、切刃部品の更に別の実施形態は、幾つかの別個の部片６２，６３，６４及び６５を備えている切刃部品６１を備えている。この切刃部品の多部片からなる実施形態は、各切刃用の溝穴のために切刃を更に専用化することが可能になり且つビット本体が例えば研ぎ直されるか又は改造されるべきである場合には、切刃部品６１の個々の部片の交換が可能になる。
【００２５】
［００３７］ボーリングビット本体のためにモジュール型の構造を使用することによって、一部品からなるビット本体における制限事項のうちの幾つかが解消される。例えば、１）モジュール型のビット本体の個々の構成部品は、一体の一部品焼結炭化物からなるビット本体と比較して小さく且つ形状の複雑さがより低い。従って、構成部品は、焼結プロセス中に受ける歪みがより少なく、モジュール型のビット本体及び個々の部片をより精密な許容公差内で作ることができる。更に、キーのかみ合い面及びその他の形体は、焼結後に容易に且つ低廉に研磨され又は加工されて構成部品間の正確且つ精密な嵌合が確保され、このようにして、切刃ポケット及び切刃インサートを所定の位置に正確に配置させることができる。次いで、このことは、作動中にボーリングビットの最適な動作を確保する。２）モジュール型のビット本体の個々の構成部品の複雑さがより低い形状によって、遙かに簡単な（精巧度が低い）加工工具の使用及び構成部品の製造のための加工作業の使用が可能になる。更に、モジュール型のビット本体は個々の構成部品によって作られるので、形削り過程中におけるビット本体の如何なる形体と切削工具又はその他の機械部品の経路との干渉に関する問題が更に少ない。これは、一体の一部品からなるビット本体と比較して、ビット本体に組み立てるための遙かに複雑な形状の部品の製造が可能になる。類似した部品の製造は、より複雑な形状に形成することができ、これは、設計者が焼結炭化物及びその他の材料の優れた特性を十分に利用することを可能にする。例えば、多数の切刃を、一部品からなるビット本体ではなくモジュール型のビット本体内に組み込むことができる。３）モジュール型の設計は、個々の構成部品の組立体からなり、従って、形削り過程中における高価な焼結炭化物の廃棄物が極めて少ない。４）モジュール型のビット本体は、ビット本体上の何らかの位置に最適な特性を有するビット本体を提供するために相互に組み立てることができる広範囲の材料（焼結炭化物、鋼及びその他の合金、セラミック、プラスチック等）の使用を可能にする。５）最後に、個々の切刃部片は、必要な場合又は所望の場合に交換することができ、ボーリングビットを作動状態へ回復させることができる。多数の部片を含む切刃部品の場合には、個々の部片を置換することができる。多数の部片を含む切刃部品の場合には、個々の部片を置換することができる。従って、ビット本体のただ一つの部分の故障によりビット本体全体を廃棄する必要がなく、運転費の著しい低減がもたらされる。
【００２６】
［００３８］切刃部品及び切刃支持部品において使用することができる焼結炭化物は、周期律表のＩＶＢ群からＶＩＢ群までに属する１以上の元素の炭化物を含む。該焼結炭化物は、炭化チタン、炭化クロム、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオビウム、及び炭化タングステン、から選択された少なくとも１つの遷移金属の炭化物を含んでいるのが好ましい。炭化物粒子は、各領域内に焼結炭化物材料の全重量の約６０重量パーセント〜約９８重量パーセントを含んでいるのが好ましい。炭化物粒子は、焼結炭化物の全重量の約２〜約４０重量パーセントを構成するのが好ましいバインダのマトリックス内に埋め込まれる。
【００２７】
［００３９］一つの非限定的な実施形態においては、本発明によるモジュール型の固定切刃ボーリングビット本体は、第一の焼結炭化物材料を含む切刃支持部品と、第二の焼結炭化物材料からなる少なくとも１つの切刃部品とを含んでおり、前記少なくとも１つの切刃部品は前記切刃支持部品に固定されており、前記第一及び第二の焼結炭化物材料の少なくとも１つは、０．３〜１０μｍの平均粒子サイズの炭化タングステン粒子を含んでいる。代替的な非限定的実施形態によれば、前記第一及び第二の焼結炭化物材料のうちの一方は０．５〜１０μｍの平均粒子サイズの炭化タングステン粒子を含んでおり、他方は０．３〜１．５μｍの平均粒子サイズの炭化タングステン粒子を含んでいる。更に別の代替的な非限定的実施形態においては、前記第一及び第二の焼結炭化物のうちの一方は他方よりも（焼結炭化物材料の全重量に対する）１〜１０重量パーセント以上多くのバインダを含んでいる。更に別の代替的な実施形態においては、前記第一の焼結炭化物材料の硬度は８５〜９０ＨＲＡであり、第二の焼結炭化物材料の硬度は９０〜９４ＨＲＡである。更に別の非限定的な代替的実施形態においては、前記第一の焼結炭化物材料は、１０〜１５重量パーセントのコバルト合金を含んでおり、前記第二の焼結炭化物材料は６〜１５重量パーセントのコバルト合金を含んでいる。更に別の非限定的な代替実施形態によれば、前記第一の焼結炭化物のバインダと前記第二の焼結炭化物のバインダとは化学的組成が異なっている。更に別の非限定的な代替実施形態においては、第一の焼結炭化物内のバインダの重量パーセントは、第二の焼結炭化物内のバインダの重量パーセントと異なっている。もう一つ別の非限定的な代替実施形態においては、第一の焼結炭化物の遷移金属炭化物は、化学的組成及び平均粒子サイズのうちの少なくとも１つが、第二の焼結炭化物の遷移金属炭化物と異なっている。付加的な非限定的代替実施形態によれば、第一の焼結炭化物と第二の焼結炭化物とは、少なくとも１つの特性が異なっている。前記少なくとも１つの特性は、例えば、弾性係数、硬度、耐摩耗性、破壊靱性、引っ張り強度、耐腐食性、熱膨張率、及び熱伝導率から選択することができる。
【００２８】
［００４０］焼結硬度粒子又は焼結炭化物からなるバインダは、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、又はこれらの元素の合金、のうちの１つを含んでいる。当該バインダはまた、例えば、タングステン、クロム、チタン、タンタル、バナジウム、モリブデン、ニオビウム、ジルコニウム、ハフニウム、及びバインダ内のこれらの元素の溶解限度以下の炭素、のような元素を含んでいても良い。更に、当該バインダは、ホウ素、ケイ素、及びレニウム、のうちの１以上を含んでいても良い。更に、バインダは、銅、マンガン、銀、アルミニウム、及びルテニウム、のような元素を５重量パーセント以下含んでいても良い。当業者は、焼結硬質粒子材料の構成要素の幾らか又は全てを、化合物及び／又は母合金として元素の形態で導入されても良いことがわかるであろう。切刃支持部品及び切刃部品、又は所望ならばその他の部品は、コバルトのバインダ内に炭化タングステンを含む種々の焼結炭化物を個々に含んでいても良い。一つの実施形態においては、切刃支持部品及び切刃部品は、少なくとも１つの特性が異なっている少なくとも２つの異なる焼結硬質粒子を含んでいる。
【００２９】
［００４１］モジュール型のボーリングビットの部品の実施形態はまた、限定的ではないが、本明細書に参考として組み入れられている同時係属中の米国特許出願第１０／７３５，３７９号に記載されている複合焼結炭化物のいずれかを含んでいても良い。
【００３０】
［００４２］本発明によるモジュール型の固定切刃ボーリングビットを製造する方法は、少なくとも１つの切刃部品を切刃支持部品に固定することを含んでいる。該方法は、内部流体路、突条部、ランド部、ノズル、切り屑用の穴、及びボーリングビット本体のその他のあらゆる一般的な構造的特徴、を含むモジュール型のボーリングビット本体を製造するために付加的な部品を相互に結合することを含んでいる。個々の切刃部品の結合は、例えば、切刃部品を切刃支持部品に設けられた溝穴内に挿入すること、切刃部品を切刃支持部品に蝋付け、溶接、又は半田付けすること、切刃部品を切刃支持部品に圧入すること、切刃部品を切刃支持部品に焼嵌めすること、切刃部品を（エポキシ又はその他の接着剤のような）接着剤によって切刃支持部品に接着すること、又は切刃部品を切刃支持部品に機械的に固定すること、を含むあらゆる方法によって行うことができる。ある種の実施形態においては、切刃支持部品か切刃部品は、結合を強化するためにダブテール構造又はその他の構造を有している。
【００３１】
［００４３］焼結硬質粒子のための製造プロセスは、典型的には、未焼結ビレットを形成するために冶金粉末（典型的には、粒状セラミック及び粉末バインダ金属）を圧密強化することを含んでいる。堅牢な型内での機械的又は液圧による圧締め及びウェットバッグ又はドライバッグ型の静水圧プレス成形のような従来技術を使用している粉末圧密プロセスを使用することができる。該未焼結ビレットは、次いで、粉末を更に圧密し且つ稠密化するために、予備焼結させ又は完全焼結させても良い。予備焼結は、部品のほんの部分的な圧密及び稠密化をもたらす。未焼結ビレットは、最終的な焼結作業において達する温度よりも低い温度で予備焼結させて予備焼結されたビレット（“茶褐色のビレット”）を製造することができる。茶褐色のビレットは、硬度及び強度が、最終的に完全に焼結された物品と比較すると比較的低いが、未焼結ビレットより著しく高い。製造中に、物品は、未焼結ビレット、茶褐色ビレット、又は十分に焼結された物品、として加工される。典型的には、未焼結ビレット又は茶褐色ビレットの機械加工性は、完全に焼結された物品の機械加工性よりも高い。未焼結ビレット又は茶褐色ビレットを機械加工することは、十分に焼結された部品が機械加工が難しい場合、又は必要とされる最終的な寸法的許容公差に合致するために機械加工ではなく研磨を必要とする場合、に有利である。ビレットの空隙率に近くするために、機械加工剤の付加のような部品の機械加工性を改良するための他の手段もまた採用することができる。典型的な機械加工剤はポリマーである。最後に、焼結は、従来の真空炉内の液相温度で又は焼結ＨＩＰ（ヒップ）炉内の高圧下で、行うことができる。当該ビレットは、３００〜２０００ｐｓｉ（２．０７〜１３．８ＭＰａ）の圧力で且つ１３５０〜１５００℃の温度で過圧焼結しても良い。ビレットの予備焼結は、潤滑剤の除去、酸化物低減、稠密化、及び微細構造の形成、を生じさせる。上記したように、焼結に続いて、モジュール型のビット本体の部品は、更に、適切に機械加工し又は研磨して最終的な形態に形成される。
【００３２】
［００４４］当業者は、焼結炭化物切刃インサートのような焼結硬質粒子物品を形成するための圧密及び焼結に必要とされるプロセスパラメータが理解できるであろう。このようなパラメータは、本発明の方法において使用することができる。
【００３３】
［００４５］更に、本発明の目的のための合金としては、鉄、ニッケル、チタン、銅、アルミニウム、コバルト等、のような全ての構造金属の合金がある。セラミックとしては、全ての一般的な元素の炭化物、ホウ化物、酸化物、窒化物等がある。
【００３４】
［００４６］当該記載は、本発明の明確な理解に関係する本発明の特徴を例示していることは理解されるべきである。従って、本発明のより良い理解を補助しない当業者にとって明らかな本発明のある種の構造は、本記載を簡素化するために、記載していない。以上、本発明の実施形態を説明したが、当業者は、上記の説明を考慮すると、本発明の多くの改造及び変更を使用することができることがわかるであろう。本発明のこのような変形及び改造の全てが、上記の説明及び特許請求の範囲によって保護されることを意図されている。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ビット本体、        １１  中央部分、          １２  泥用穴、
１３  切刃、              １４  切刃ポケット、      ２０  ボーリングビット本体、
２１  取り付け部分、      ２２  シャンク、          ２３  切刃支持部品、
２４  切刃部品、          ２５  切刃ポケット、      ３１  内部流体路、
３２  切屑用穴、          ４１  切刃用の溝穴、
５１  切刃インサートポケット、                      ６１  切刃部品、
６２，６３，６４，６５  部片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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